Основы металлургического производства

Федеральное агентство по образованию

Тульский государственный университет

Кафедра «Сварки, литья и технологии конструкционных материалов»

 

Металлургия. Процессы и

Оборудование литейного производства

 

 

Рекомендовано для направления 551800

Технологические машины и оборудование

 

Разработал Вальтер А.И. д.т.н., профессор

Кафедры СЛ иТКМ

Утверждено на заседании кафедры ТМЛП

Апреля 2008г. протокол № 5

 

 

Тула -2008 г.

Введение

Развитие и совершенствование любого производства в настоящее время связано с его автоматизацией, созданием робототехнических комплексов, широким использованием вычислительной техники, применением станков с числовым программным управлением. Всё это составляет базу, на которой создаются автоматизированные системы управления, становятся возможными оптимизация технологических процессов и режимов обработки, создание гибких автоматизированных комплексов.

Важным направлением научно - технического прогресса является также создание и широкое использование новых конструкционных материалов. В производстве все шире используются сверхчистые, сверхтвердые, жаропрочные, композиционные порошковые, полимерные и другие материалы, позволяющие резко повысить технический уровень и надежность оборудования. Обработка этих материалов связана с решением серьезных технологических вопросов.

Создавая конструкции машин и приборов, обеспечивая их заданные характеристики и надежность работы с учетом экономических показателей, инженер должен владеть методами изготовления деталей машин и их сборки.

Предметом данного курса являются современные рациональные и распространенные в промышленности прогрессивные методы формообразования заготовок и деталей машин, базирующиеся на принципе единства основных методов обработки конструкционных материалов: литья. Обработки давлением, сварки и обработки резанием. Эти методы в современной технологии конструкционных материалов характеризуются многообразием традиционных и новых технологических процессов, возникающих на их слиянии и взаимопроникновении.

Описание технологических процессов основано на их физической сущности и предваряются сведениями о строении и свойствах конструкционных материалов.

Инженер любой специальности должен знать структуру и свойства конструкционных материалов, а также научные и технические основы их производства и обработки.

Металлы - наиболее распространенные материалы, широко используемые во всех отраслях промышленности: машиностроении, на транспорте, жилищном и дорожном строительстве.

Первыми металлами, которые были выплавлены из руд, были медь, свинец, золото, а затем железо и олово.

Первыми агрегатами для выплавки железа были земляные сыродутные горны, в которых из железной руды и древесного угля получалось сыродутный металл - железо, который подвергали ручной ковке для получения различных изделий.

В дальнейшем сыродутные горны заменили шахтными печами - домницами. В них из железной руды и древесного угля получали чугун, т.е. сплав железа с углеродом и некоторыми другими элементами. Жидкий чугун в первое время применяли только для изготовления отливок, которые в отличие от бронзовых были более хрупкими и имели ограниченное применение.

Следующим этапом является разработка способа переделки чугуна в сталь выжиганием (окислением) углерода из чугуна при переплавке последнего в кричных горнах, а позже - пудлинговых печах.

Во второй половине 19-го века разработали более совершенные и производительные способы, продувкой жидкого чугуна воздухом в бессемеровском и томасовском конверторе и переплавкой в мартеновских печах. В дальнейшем для выплавки стали были разработаны также и электрические печи.

По мере разработки и внедрения новых способов переделки чугуна в сталь потребовалось расширить выплавку чугуна. Поэтому были разработаны новые крупные агрегаты - доменные печи, производительность которых достигает 2000 т в сутки.

С развитием методов выплавки металлов из руд или других исходных материалов совершенствовалась технология обработки металлов. К технологическим способам обработки металлов относят литейное производство, обработку давлением (прокатка, волочение, ковка, штамповка, прессование), сварку и огневую резку, термическую обработку, обработку резанием и различные виды электрофизических и электрохимических способов размерной обработки металлов.

Широкое развитие литейное производство получило после того, как металлурги научились выплавлять чугун в доменных печах.

В машиностроении отливки получают не только из чугуна, но и из многих других металлов и сплавов: стали, бронзы, латуни, сплавов алюминия, магния и др. Для производства отливок применяют новые способы изготовления форм, используют формовочные машины и другие механизмы.

Наиболее известными способами обработки металлов давлением являются ковка и волочение. Прокатка получила развитие с разработкой специальных машин - прокатных станов. Высокопроизводительные прокатные станы - это блюминги и слябинги. Эти машины обладают высокой степенью механизации и автоматизации.

Кроме того, существует большое количество штамповочных операций по обработке листового материала, который является продуктом прокатки.

Сварка металла, т.е. соединение в одно целое двух или более кусков металла, является одним из прогрессивных методов изготовления машин в промышленности. Существует несколько видов сварки металлов. Из них наиболее распространенным является электросварка. В настоящее время технологические процессы сварки в высокой степени усовершенствованы и автоматизированы.

Среди способов обработки металлов и сплавов важное место занимают различные виды термической обработки - отжиг, нормализация, закалка, отпуск и другие. Нагревом металла или сплава до определенной температуры, выдержкой и последующим охлаждением с различной скоростью вызывают необходимые изменения их структуры и свойств.

Для обработки металлов резанием используются специальные механические агрегаты, которые называются станками (токарные, сверлильные, фрезерные, строгальные и др.). В настоящее время выпускаются высокопроизводительные металлорежущие станки автоматы и полуавтоматы, а также автоматические линии, работающие по заданной программе.

Для обработки металлов и неметаллических материалов широко используются также, электрофизические и электрохимические способы размерной обработки.

Они основаны на использовании электрической энергии, вводимой непосредственно в зону обработки. В этой зоне электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию, обеспечивающую выплавление частиц обрабатываемого материала и его размерную обработку. Можно использовать и химическое действие электрического тока, если обработка материала осуществляется в электролите.

Из этих способов обработки широкое распространение получили электроискровая, электроимпульсная электроконтактная, анодно-механическая, ультразвуковая, химико-механическая и другие.

Новые, прогрессивные способы обработки материалов применяют при создании машин и механизмов с использованием конструкционных материалов, обработка которых обычными методами либо затруднена, либо вообще невозможна. Создание машины зависит также и от того, насколько успешно решен вопрос обработки материалов для основных ее узлов.

Важное значение в современном производстве имеет использование пластических масс и неметаллических материалов в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов. Эти материалы позволяют повысить сроки службы многих деталей и узлов машин и установок, снизить массу конструкций и стоимость обработки и т.п.

Развитие различных способов обработки пластических масс и других неметаллических материалов путем прессования, литья, сварки, механической обработки и т.д. является одной из важнейших задач промышленности.

 

 

ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Металлургическое производство - это сложная система различных производств, базирующихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах. Оно включает: шахты, карьеры по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты, где обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энергетические цехи для получения сжатого воздуха для доменных печей, кислорода, очистки металлургических газов; доменные цехи для выплавки чугуна и ферросплавов или цехи для производства железорудных металлизированных окатышей; заводы для производства ферросплавов; сталеплавильные цехи (конвертерные, мартеновские, электросталеплавильные) для производства стали; прокатные цехи, в которых слитки перерабатывают в сортовой прокат - балки, рельсы, прутки, проволоку, лист и т.д.

Основная продукция черной металлургии: чугуны - передельный, используемый для передела на сталь, и литейный - для производства фасонных чугунных отливок на машиностроительных заводах; железорудные металлизированные окатыши для выплавки стали; ферросплавы (сплавы железа с повышенным содержанием Mn, Si, V, Ti и т.д.) для выплавки легированных сталей; стальные слитки для производства сортового проката (рельсов, балок, прутков, труб, листа и т.п.); стальные слитки для изготовления крупных кованных валов, роторов турбин, дисков и т.д., которые называются кузнечными слитками.

Продукция цветной металлургии: слитки цветных металлов для производства сортового проката (уголка, полосы, прутков и т.п.); слитки цветных металлов для изготовления отливок; лигатуры - сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов для отливок; слитки чистых и особо чистых металлов для приборостроения, электронной техники и других отраслей промышленности.

Производство чугуна

Материалы, применяемые в доменном производстве,

И их подготовка к плавке

Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо и флюсы.

Железные руды содержат железо в различных соединениях: в виде окислов Fe₃O₄, Fe₂O₃; гидроксидов Fe₂O₃ ×Н₂О, карбонатов FeСO₃ и другие, атакже пустую породу, состоящую в основном из SiO₂, Al₂O₃,CaO, MgO и др. К железным рудам относятся магнитный железняк Fe₃O₄ (55 - 60% Fe), красный железняк Fe₂O₃ (55 - 60% Fe), бурый железняк, содержащий гидраты окислов железа 2Fe₂O₃ ×3Н₂О и Fe₂O₃ ×Н₂О (37 -55% Fe); шпатовые железняки, содержащие FeСO₃ (30 -40% Fe).

Марганцевые руды применяют для выплавки сплава железа с марганцем - ферромарганца (10 - 82% Mn), а также передельных чугунов, содержащих до 1% Mn. Марганец в рудах содержится в виде оксидов и карбонатов MnO₂, Mn₂O₃, Mn₃O₄, MnCO₃ и др.

Хромовые руды используют для производства феррохрома, металлического хрома и огнеупорных материалов - хромомагнезитов. Хромовые руды содержат хромит (FeO×Cr₂O₃), (Mg, Fe)×Cr₂O₄ ( до 40% Cr₂O₃).

Комплексные руды используют для выплавки природно-легированных чугунов. Это железомарганцевые руды (до 20% Mn), хромоникелевые руды (37-47% Fe, до 2% Cr, до 1% Ni), железо-ванадиевые руды (до 0.17-0.35% V).

Топливом для доменной плавки служат кокс, позволяющий получать необходимую температуру и создавать условия для восстановления железа из руды; в целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.

Флюсом при выплавке чугуна в доменных печах является известняк СаСО₃ или доломатизированный известняк, содержащий СаСО₃ и MgСО₃, так как в шлаки должно входить определенное количество основных окислов(СаО, MgО). Это необходимо для удаления серы из металла, в который она переходит из кокса и железной руды при плавке. Рекомендуется, чтобы в шлаке отношение

 

(СаО + MgО)/(SiO2+Al₂O₃)» 1.

 

Подготовка руд к доменной плавке осуществляется для повышения производительности доменной печи, снижения расхода кокса и улучшения качества чугуна. Цель этой подготовки состоит в увеличении содержания железа в шихте и уменьшении в ней вредных примесей - серы, фосфора, повышение её однородности по величине гранул и химическому составу. Метод подготовки добываемой руды зависит от её качества.

Дробление и сортировка для получения гранул оптимальной для плавки величины. Куски руды дробят и сортируют на дробилках и классификаторах.

Обогащение руды основано на различии физических свойств минералов, входящих в её состав: плотностей составляющих, магнитных, физико-химических свойств минералов. Промывка руды водой позволяет отделить плотные составляющие руды от пустой породы (песка, глины). Гравитация (отсадка) - это отделение руды от пустой породы при пропускании струи воды через дно вибрирующего сита, на котором лежит руда: пустая порода вытесняется в верхний слой и уносится водой, а рудные материалы остаются в сите.

Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железосодержащих минералов и частиц пустой породы. Измельченную руду подвергают действию магнита, притягивающего железосодержащие минералы, отделяя их от пустой породы.

Окускование производят для переработки концентратов, полученных после обогащения, в кусковые материалы необходимых размеров. Применяют два способа окускования: агломерацию и окатывание.

Агломерация. Шихту, состоящую из железной руды (40-50%) известняка (15-20%), возврата мелкого агломерата (20-30%), коксовой мелочи (4-6%), влаги (6-9%), спекают на агломерационных машинах при температуре 1300-1500 ^оС. При спекании из руды удаляются вредные примеси (сера, мышьяк), разлагаются карбонаты, и получается кусковой пористый офлюсованный материал - агломерат.

Окатывание. Шихта измельченных концентратов, флюса, топлива, увлажняется и при обработке во вращающихся барабанах, тарельчатых чашах (грануляторах) приобретает форму шариков-окатышей диаметром до 30мм. Окатыши высушивают и обжигают при температуре 1200-1350 ^оС на обжиговых машинах, после чего они становятся прочными и пористыми. Использование агломерата и окатышей исключает отдельную подачу флюса-известняка в доменную печь при плавке, так как флюс в необходимом количестве входит в их состав.

 

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в печах шахтного типа - доменных печах. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и твердым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива в печи..

Устройство доменной печи. Доменная печь (рис.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту, распар, заплечики, горн, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппарат, через который в печь загружают шихту (офлюсованный агломерат и окатыши). Шихту взвешивают, подают в вагонетки подъемника, которые передвигаются по мосту к засыпному аппарату и, опрокидываясь, высыпают шихту в приемную воронку распределителя шихты. При опускании малого конуса засыпного аппарата шихта попадает в чашу, а при опускании большого конуса - в доменную печь, что предотвращает выход газов из доменной печи в атмосферу. Для равномерного распределения шихты доменной печи малый конус и приемная воронка после очередной загрузки поворачиваются на угол, кратный 60^о.

Рис.1. Схема доменной печи объемом 2700 м³ и её примерный

суточный баланс: 1-воздуховод, 2-шлаковая летка, 3-шлаковоз, 4-лещадь, 5-чугуновоз, 6-летка для чугуна, 7- фурменный прибор, 8-газоходы, 9-засыпное устройство

 

При работе печи шихтовые материалы, расплавляясь, опускаются, а через загрузочное устройство в печь подаются новые порции шихты в таком количестве, чтобы весь полезный объем печи был заполнен. Полезный объем печи - это объем, занимаемой шихтой от лещади до нижней кромки большого конуса засыпного аппарата при его опускании. Современные доменные печи имеют полезный объем 2000-5000 м³. Полезная высота доменной печи достигает 35м.

В верхней части горна находятся фурменные устройства, через которые в печь поступает нагретый воздух, необходимый для горения топлива. Воздух нагревают для уменьшения потерь тепла и снижения расхода кокса. Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателя, внутри которого имеются камера сгорания и насадка. Насадка выложена из огнеупорных кирпичей, так что между ними образуются вертикальные каналы. В камеру сгорания к горелке подается очищенный от пыли доменный газ, который сгорает и образует горячие газы.

Газы, проходя через насадку, нагревают её и удаляются через дымовую трубу. Затем подача газа к горелке прекращается и через насадку пропускается воздух, подаваемый турбовоздуходувной машиной. Воздух, проходя через насадку, нагревается до температуры 1000-1200 ^оС и поступает к фурменному устройству, а оттуда через фурмы - в рабочее пространство печи. Доменная печь имеет несколько воздухонагревателей: в то время как в одних насадка нагревается, в других насадка отдает теплоту холодному воздуху. Нагревая его. После охлаждения насадки воздухом нагреватели переключаются.

Горение топлива. Вблизи фурм (рис.1) углерод кокса, взаимодействуя с кислородом воздуха. Сгорает. В результате горения выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий СО, СО₂, Н₂, N₂,СН₄, и др. При этом в печи несколько выше уровня фурм развивается температура более 2000 ^оС. Горячие газы, поднимаясь отдают теплоту шихтовым материалам и нагревают их, охлаждаясь до температуры 300-400^оС у колошника. Шихта (агломерат, кокс) опускается навстречу потоку газов, и при температуре» 570 ^оС начинается восстановление оксидов железа.

Восстановление железа в доменной печи. В результате взаимодействия оксидов железа с оксидом углерода и твердым углеродом кокса, а также водородом происходит восстановление железа. Восстановление газами называют косвенным, а твердым углеродом - прямым. Реакции косвенного восстановления - экзотермические (сопровождающиеся выделением теплоты), они происходят главным образом в верхних горизонтах печи. Реакции прямого восстановления - эндотермические (сопровождающиеся поглощением тепла), они протекают в нижней части печи, где температура более высокая.

Восстановление железа из руды в доменной печи происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте печи и повышения температуры в несколько стадий, от высшего оксида к низшему:

 

Fe2O3 ® Fe3O4 ® FeO ® Fe.

Опускаясь, шихта достигает зоны в печи, где температура 1000-1100 ^оС. При этих температурах восстановление из руды твердое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод, вследствие чего температура плавления железа понижается и на уровне распара и заплечиков оно расплавляется. Капли железоуглеродистого сплава, протекая по кускам кокса, насыщаются углеродом (до 4% и более), марганцем, кремнием, фосфором, которые при температуре 1000-1200 ^оС восстанавливаются из руды, а также серой, содержащейся в коксе.

Марганец содержится в руде в виде MnO₂, Mn₂O₂, Mn₃O₄. Эти соединения легко восстанавливаются до MnO; взаимодействуя с твердым углеродом, MnO образует карбид Mn₃С, который растворяется в железе., повышая содержание марганца и углерода в чугуне. Другая часть MnO входит в состав шлака.

Кремний, содержится в руде в виде SiO₂, также частично восстанавливается твердым углеродом и растворяется в железе. Другая часть SiO₂ переходит в шлак.

Фосфор содержится в руде в виде соединений (FeO)₃×P₂O₅ и (СаО)₃×Р₂О₅. При температурах выше 1000 ^оС фосфат железа восстанавливается оксидом углерода и твердым углеродом с образованием фосфида железа. При температурах свыше 1300 ^оС фосфор восстанавливается из фосфата кальция. Фосфор и фосфид железа Fe₃P полностью растворяется в железе.

Сера присутствует в коксе и руде в виде органической серы и соединений FeS₂, FeS, CaSO₄. Сера летуча, и поэтому часть её удаляется с газом при нагреве шихты в печи, а часть в виде серы из FeS растворяется в чугуне:

FeS + CaO = CaS + FeO

часть серы в виде CaS удаляется в шлак.

Таким образом, в результате процесса восстановления оксидов железа, части оксидов марганца и кремния, фосфатов и сернистых соединений, растворения в железе C, Mn, Si, P, S в доменной печи образуется чугун, а в результате сплавления оксидов СаО, Al₂O₃, MgO, пустой породы руды, флюсов и золы топлива образуется шлак. Шлак стекает в горн и скапливается на поверхности жидкого чугуна благодаря меньшей плотности.

Чугун выпускают из печи через каждые 3-4 часа, а шлак - через 1-1.5 часа. Чугун выпускают через чугунную летку (рис.1) - отверстие к кладке, расположенное несколько выше лещади, а шлак через шлаковую летку. Чугунную летку открывают бурильной машиной, после выпуска чугуна ее закрывают огнеупорной массой. Чугун и шлак сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугун транспортируют в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи для передела в сталь. Чугун, не используемый в жидком виде, разливают в изложницы разливочной машины, где он затвердевает в виде чушек-слитков массой 45 кг.

Продукты доменной плавки. Чугун - основной продукт доменной плавки. В доменных печах получают чугун различного химического состава в зависимости от его назначения.

Передельный чугун выплавляют для передела его в сталь в конверторах или мартеновских печах. Он содержит 4-4.4% С, до 0.6-0.8% Si, до 0.25-1% Mn, 0.15-0.3% Р и 0.03-0.07% S.

Литейный чугун используют на машиностроительных заводах при производстве фасонных отливок. Он содержит 2.75-3.25% Si. Кроме чугуна в доменной печи выплавляют ферросплавы доменные - сплавы железа с кремнием, марганцем и другими элементами. Их применяют для раскисления и легирования стали. К ним относятся: ферросилиций (9-13% Si и до 3% Mn), ферромарганец (70-75% Mn и до2% Si), зеркальный чугун (10-25% Mn и до 2% Si).

Побочные продукты доменной плавки - шлак и доменный газ. Из шлака изготавливают шлаковату, цемент, а доменный газ после очистки используют как топливо для нагрева воздуха, вдуваемого в доменную печь.

Технико-экономические показатели работы доменных печей: коэффициент использования полезного объема доменной печи (КИПО) и удельный расход кокса. КИПО (м³/т)- это отношение полезного объема печи V (м³) к ее среднесуточной производительности Р (т) выплавленного чугуна:

КИПО = V/ Р.

Чем выше производительность доменной печи, тем меньше КИПО. Для большинства доменных печей КИПО = 0.5 - 0.7.

Удельный расход кокса К - отношение расхода А кокса за сутки к количеству Р(т) чугуна, выплавленного за то же время:

 

К = А / Р.

 

Удельный расход кокса в доменных печах составляет 0.5-0.7; чем ниже этот показатель, тем лучше работает печь.

Доменный процесс получения чугуна требует значительного расхода кокса, флюсов, электроэнергии для подготовки сжатого воздуха для дутья. Поэтому наряду с выплавкой чугуна в доменных печах все более широко используют более экономичные процессы восстановления железа из руд с последующей его плавкой в электрических печах для получения стали.

Рис.2. Схема установки для прямого восстановления железа

из руд и получения металлизированных окатышей

В этом случае добытую в карьерах руду обогащают и получают окатыши. Окатыши (рис.2) из бункера 1 по грохоту 2 поступают в короб 10 шихтозавалочной машины и оттуда в шахтную печь 9, работающую по принципу противотока. Просыпь от окатышей из грохота 2 попадает в бункер 3 с брикетировочным прессом и в виде окатышей вновь поступает на грохот 2, подающий их в загрузочное устройство. Для восстановления железа из окатышей в печь по трубопроводу 8 подают смесь природного и доменных газов, подвергнутую в установке 7 конверсии, в результате которой смесь разлагается на водород и окись углерода. В восстановительной зоне печи В создается температура 1000 -1100 ⁰С, при которой водород и окись углерода восстанавливают железную руду в окатышах до твердого губчатого железа. В результате содержание железа в окатышах достигает 90 - 95%. Для охлаждения железных окатышей по трубопроводу 6 в зону охлаждения О печи подают воздух. Охлажденные окатыши 5 выдаются на конвейер 4 и поступают на выплавку стали в электропечах.

Производство стали

Сущность процесса. Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне (табл. 1).

Таблица 1

Состав передельного чугуна и низкоуглеродистой стали, %

 

Материал	С	Si	Mn	P	S
Передельный чугун	4-4.4	0.76-1.26	до 1.75	0.15-0.3	0.03-0.07
Сталь низкоуглеродистая	0.14-0.22	0.12-0.3	0.4-0.65	0.05	0.055

 

Поэтому сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Примеси отличаются по своим физико-химическим свойствам, поэтому для удаления каждой из них в плавильном агрегате создают определенные условия, используя основные законы физической химии.

В соответствии с законом действующих масс скорость химических реакций пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Поскольку в наибольшем количестве в чугуне содержится железо, то оно окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильной печи

Fe + 1/2O₂ = FeO +263.68. (1)

Одновременно с железом окисляются Si, P, Mn, C и др.

Образующийся оксид железа при высоких температурах растворяется в железе и отдает свой кислород более активным элементам - примесям в чугуне, окисляя их:

 

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe + 330.5 кДж; (2)

5FeO + 2P = P₂O₅ + 5Fe + 225.94 кДж; (3)

FeO + Mn = MnO + Fe + 122.59 кДж; (4)

FeO + C = CO + Fe - 153.93 кДж. (5)

 

Чем больше оксида железа содержится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, окалину, содержащие много оксидов железа. Таким образом, основное количество примесей окисляется за счет кислорода оксида железа.

Скорость окисления примесей зависит не только от их концентрации, но и от температуры металла и подчиняется принципу Ле Шателье, в соответствии с которым химические реакции, выделяющие теплоту, протекают интенсивнее при более низких температурах или при некотором понижении температуры, а реакции, поглощающие теплоту, протекают активнее при высоких температурах или при некотором повышении температуры. Поэтому в начале плавки, когда температура металла невысока, интенсивнее протекают процессы окисления кремния, фосфора, марганца, протекающие с выделением теплоты, а углерод интенсивно окисляется только при высокой температуре металла (в середине и конце плавки).

После расплавления шихты в сталеплавильной печи образуются две несмешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Металл и шлак разделяются из-за различных плотностей. В соответствии с законом распределения (закон Нернста), если какое - либо вещество растворяется в двух соприкасающихся, но несмешивающихся жидкостях, то распределение вещества между этими жидкостями происходит до установления определенного соотношения (константы распределения) постоянного для данной температуры. Поэтому большинство компонентов (Si, P, Mn, C) и их соединения, растворимые в жидком металле и шлаке, будут распределяться между металлом и шлаком в определенном соотношении, характерном для данной температуры.

Нерастворимые соединения, в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака можно менять соотношение между количеством примесей в металле и шлаке так, что нежелательные примеси будут удаляться из металла в шлак. Убирая шлак с поверхности металла и наводя новый путем подачи флюса требуемого состава, можно удалять вредные примеси (серу, фосфор) из металла. Поэтому регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическим процессом.

Используя изложенные законы, процессы выплавки стали осуществляются в несколько этапов.

Первый этап - расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла невысока; интенсивно происходит окисление железа и окисление примесей Si, P, Mn по реакциям (1) - (4). Наиболее важная задача этого этапа: удаление фосфора - одной из вредных примесей в стали. Для этого необходимо проведение плавки в основной печи, в которой можно использовать основной шлак СаО. Выделяющийся по реакции (3) фосфорный ангидрид образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO) ₃×P₂O₅. Оксид кальция СаО - более сильное основание, чем оксид железа поэтому при невысоких температурах связывает ангидрид P₂O₅, переводя его в шлак:

 

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) «(4CaO× P₂O₅) + 5[Fe]. (6)

 

Реакция образования фосфорного ангидрида протекает с выделением теплоты, поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье для удаления фосфора из металла необходимы невысокие температуры ванны металла и шлака. Из реакций (3) и (6) следует также, что удаления фосфора из металла необходимо достаточное содержание в шлаке FeO. Для повышениясодержания FeO в шлаке в печь добавляют окалину, железную руду. По мере удаления фосфора из металла в шлак содержание фосфора в шлаке возрастает. В соответствии с законом распределения удаление фосфора из замедляется. Поэтому для боее полного удаления фосфора из металла с его зеркала убирается шлак, содержащий фосфор, и наводят новый со свежими добавками СаО.

Второй этап - «кипение» металлической ванны - начинается по мере ее прогревания до более высоких температур, чем на первом этапе. При повышении температуры металла в соответствии с принципом Ле Шателье более интенсивно протекает реакция (5) окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты. Поскольку в металле углерода содержится больше, чем других примесей, то в соответствии с законом действующих масс для окисления углерода в металл вводят значительное количество руды, окалины или вдувают кислород. Образующийся в металле оксид железа реагирует с углеродом по реакции (5), а пузырьки окиси углерода СО выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение» металла. При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к пузырькам СО, а также другие газы, проникающие в пузырьки СО. Все это способствует повышению качества металла. Поэтому этап «кипения» ванны является основным в процессе выплавки стали.

В этот же период создаются условия для удаления серы из металла. Сера в стали находится в виде сульфида FeS, который растворяется также в основном шлаке. Чем выше температура, тем большее количество FeS растворяется в шлаке, т.е. больше серы переходит из металла в шлак. Сульфид железа, растворенный в шлаке взаимодействует с оксидом кальция, также растворенным в шлаке:

 

FeS + CaO = CaS + FeO. (7)

 

Эта же реакция протекает на границе металл - шлак между сульфидом железа в стали FeS и CaO в шлаке.

Образующееся соединение CaS растворимо в шлаке, но не растворяется в железе.

Как следует из реакции (7), чем больше в шлаке CaO и меньше FeO, тем полнее удаляется из стали сера. Поэтому при плавке в основных печах можно снизить содержание углерода и серы в стали, выплавлять сталь из шихты любого химического состава.

Третий этап - (завершающий) - раскисление стали - заключается в восстановлении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород - вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах. Сталь раскисляется двумя способами: осаждающим и диффузионным.

Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы (Mn, Si, Al и др.), которые в данных условиях обладают большим сродством к кислороду, чем железо. В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды MnO, SiO₂, Al₂O₃ и другие, которые имеют меньшую плотность, чем сталь и удаляются в шлак. Однако часть их остается в стали, что понижает ее свойства.

Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака. Ферромарганец, ферросилиций и другие раскислители в мелко размельченном виде загружают на поверхность шлака. Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке. В соответствии с законом распределения оксид железа, растворенный в стали, начинает переходить в шлак. Образующиеся при таком способе раскисления оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, что уменьшает содержание в ней неметаллических включений и повышает ее качество.

В зависимости от степени раскисленности выплавляют спокойные, кипящие и полуспокойные стали.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскислена в печи не полностью. Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию FeO и углерода, содержащихся в металле. Образующийся при реакции FeO + C = CO + Fe оксид углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода. Газы выделяются в виде пузырьков, вызывая ее «кипение». Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений - продуктов раскисления, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично в изложнице благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы мало реагируют с кислородом по сравнению с железом. Это Co, Ni, Mo, Cu, которые практически не окисляются и поэтому их вводят в печь в любое время плавки(обычно вместе с остальной шихтой). Легирующие элементы, которые лучше взаимодействуют с кислородом по сравнению с первой группой (Mn, Cr, V, Al, Ti и др.) вводят в металл после или одновременно с раскислением, в конце плавки.

Чугун переделывают в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конверторах, дуговых электропечах.